El polipropileno es un polímero ampliamente utilizado en diversas aplicaciones gracias a su excelente combinación de propiedades. Sus propiedades físicas, mecánicas y ópticas pueden mejorarse aún más mediante el uso adecuado de agentes nucleantes y clarificantes. Estos aditivos facilitan la cristalización del PP durante el procesamiento, mejorando así las propiedades ya adquiridas.

Comprenda cómo utilizar agentes nucleantes y agentes clarificantes, y obtenga consejos de selección para aumentar eficazmente la tasa de producción, modificar la estructura y la morfología y reducir la turbidez en sus formulaciones de polipropileno.

I. Función de los agentes clarificantes nucleantes en PP

La cristalinidad de los polímeros semicristalinos es responsable de muchas de las características, como la estabilidad dimensional, la claridad y la tenacidad.

Para una pieza y un proceso definidos, la cristalinidad está controlada por la estructura del polímero, la formulación y las condiciones de procesamiento, lo que resulta en un equilibrio específico entre la acumulación de calor y el enfriamiento. En consecuencia, la cristalinidad suele ser heterogénea, ya que el historial térmico es diferente para la piel y el núcleo de las piezas o productos.

Los agentes nucleantes y clarificantes aceleran y afinan la cristalización permitiendo ajustar las propiedades finales de los polímeros semicristalinos a los requisitos funcionales.

·En las formulaciones de polipropileno, la adición de agentes nucleantes (también llamados nucleadores) da como resultado un mejor rendimiento y propiedades de procesamiento, como:

· Claridad mejorada y reducción de la neblina

· Mayor resistencia y rigidez

· Temperatura de deflexión térmica mejorada (HDT)

· Tiempo de ciclo reducido

· Reducción de la deformación y contracción más uniforme.

· Sensibilidad reducida de los pigmentos con respecto a los cambios de propiedades con diferentes colores

·Mejora la procesabilidad en determinadas aplicaciones.

Por lo tanto, la nucleación es una forma eficaz de mejorar las propiedades físicas, mecánicas y ópticas del polipropileno. La claridad, la estabilidad dimensional, la deformación, la contracción, el CLTE, la HDT, las propiedades mecánicas y el efecto barrera pueden mejorarse mediante la elección cuidadosa de nucleadores o clarificadores.

II. Polipropileno y su cristalinidad

El polipropileno es un polímero cristalino de amplio uso, elaborado a partir de la polimerización del monómero de propeno. Tras la polimerización, el PP puede formar tres estructuras de cadena básicas (atáctica, isotáctica y sindiotáctica) según la posición de los grupos metilo. La cristalinidad del polímero se caracteriza por:

·Las formas y tamaños de los cristalitos

·Las relaciones de cristalinidad y, eventualmente,

·La orientación de los cristalitos

El polipropileno isotáctico (iPP) es un polímero semicristalino. Se caracteriza por una excelente relación calidad-precio, lo que lo hace muy atractivo para una amplia gama de aplicaciones, como la automoción, los electrodomésticos, las tuberías, los envases, etc.

El índice de isotacticidad del iPP está directamente relacionado con el grado de cristalinidad, lo cual tiene un impacto significativo en el rendimiento del polímero. La isotacticidad aumenta la cinética de cristalización, el módulo de flexión, la dureza y la transparencia, y disminuye la resistencia al impacto y la permeabilidad.

La siguiente tabla compara las propiedades de dos homopolímeros de polipropileno que tienen un índice de isotacticidad diferente.

III. Cristalización del polipropileno
Dependiendo de las condiciones, el polipropileno isotáctico puede cristalizar en cuatro fases diferentes: α, β, γ y esméctica mesomórfica. Las fases α y β son las más importantes.

Fase α

1. Esta fase es más estable y conocida.

2. Estos cristales pertenecen al sistema cristalino monoclínico.

Fase β

1. Esta fase es metaestable y sus cristales pertenecen al sistema cristalino pseudohexagonal.

2. La fase β existe principalmente en polipropileno copolimerizado en bloque y puede generarse añadiendo agentes nucleantes específicos.

3. Esta forma cristalina fue descubierta por Padden y Keith en 1953; puede promoverse mediante cristalización entre 130 °C y 132 °C, orientación de alto cizallamiento o la adición de agentes nucleantes específicos.

4. La presencia de la fase β en los homopolímeros de polipropileno generalmente mejora la ductilidad del producto terminado, y el efecto es más significativo cuando el contenido de fase β alcanza el 65%.

Fase γ

1. Esta fase también es metaestable, con cristales triclínicos.

2. Esta forma cristalina es poco común; aparece principalmente en polipropileno de bajo peso molecular y se forma por cristalización a presión extremadamente alta y velocidades de enfriamiento extremadamente bajas.

4. Proceso de nucleación en polipropileno

Es bien sabido que el punto de partida de la cristalización de polímeros son pequeños gérmenes (pequeñas partículas) presentes de forma natural en la masa fundida, como residuos de catalizador, impurezas, polvo, etc. Es posible modificar y controlar la morfología cristalina mediante la adición de gérmenes artificiales introducidos en la masa fundida del polímero. Esta operación se denomina nucleación.

Se emplean nucleadores o agentes nucleantes que proporcionan sitios para la iniciación de cristales.

Los clarificadores son una subfamilia de nucleadores que proporcionan cristalitos más pequeños que dispersan menos luz y, como resultado, mejoran la claridad para el mismo espesor de pared de una pieza.

La función de estos agentes nucleantes es mejorar las propiedades físicas y mecánicas de las piezas terminadas.

Ⅴ. Nucleadores y clarificadores: un amplio abanico de aditivos

Agentes nucleantes particulados

Los agentes nucleantes particulados suelen ser compuestos de alto punto de fusión que se dispersan en la masa fundida del polímero mediante la composición. Estas partículas actúan como núcleos puntuales diferenciados donde puede comenzar el crecimiento de los cristales de polímero.

La alta concentración de núcleos conduce a una cristalización más rápida (tiempos de ciclo más cortos) y niveles más altos de cristalinidad, lo que mejora la resistencia, la rigidez y la HDT del PP.

El pequeño tamaño de los agregados cristalinos (esferulitas) reduce la dispersión de la luz y mejora la claridad.

Los agentes nucleantes particulados comúnmente utilizados incluyen sales y minerales, como talco, benzoato de sodio, ésteres de fosfato y otras sales orgánicas.

Se considera que el talco y el benzoato de sodio son nucleantes de bajo rendimiento y bajo costo, y brindan una mejora modesta en resistencia, rigidez, HDT y tiempo de ciclo.

Los nucleantes de alto rendimiento y alto costo, como los ésteres de fosfato y las sales de bicicloheptano, brindan mejores propiedades físicas y cierta mejora en la claridad.

Agentes nucleantes solubles

Los agentes nucleantes solubles, también denominados «sensibles a la fusión», suelen tener puntos de fusión bajos y se disuelven en el PP fundido.

A medida que el polímero fundido se enfría en el molde, estos nucleantes cristalizan primero y forman una red finamente distribuida con un área de superficie extremadamente alta.

A medida que la temperatura continúa bajando, las fibrillas que componen esta red funcionan como núcleos para iniciar la cristalización del polímero.

La concentración extremadamente alta de núcleos produce agregados de cristales de PP muy pequeños, que proporcionan el nivel más bajo de dispersión de luz y la mejor claridad.

Todos los clarificadores son nucleantes, pero no todos los nucleantes son buenos clarificadores.

Algunos nucleantes comunes, como el benzoato de sodio y el talco, no reducen el tamaño de las esferulitas lo suficiente como para obtener una pieza moldeada con baja turbidez y alta claridad. La mejor claridad se logra generalmente con el uso de nucleantes solubles.

Los compuestos orgánicos solubles que actúan como clarificantes incluyen sorbitoles, nonotols y trisamidas.

Aunque estos nucleantes se utilizan principalmente para lograr alta claridad y baja turbidez, también mejoran las propiedades físicas y reducen el tiempo del ciclo.

Forma de las partículas y relación de aspecto

Las partículas nucleantes con forma de aguja (como la ADK STAB NA-11) pueden generar diferentes valores de contracción en la máquina y en las direcciones transversales. Esta anisotropía de contracción puede provocar deformaciones en la pieza final. Las partículas nucleantes con una geometría más plana pueden generar una contracción más uniforme en ambas direcciones, lo que reduce la deformación.

Tamaño de partículas y distribución del tamaño de partículas

Un tamaño de partícula menor mejora la nucleación, pero también puede ser más difícil de dispersar. Algunas partículas nucleantes, como el benzoato de sodio, tienden a reaglomerarse.

Eliminador de ácido usado

Algunos depuradores de ácido, como las sales de ácidos grasos (p. ej., el estearato de calcio), pueden ser antagonistas de ciertos nucleantes, como los ésteres de fosfato y el benzoato de sodio. Con estos nucleantes debe utilizarse dihidrotalcita.

Nunca utilice estearato de calcio con benzoato de sodio ya que el estearato de calcio anulará completamente la nucleación del benzoato de sodio.

Grado de dispersión y presencia de aglomerados no dispersos

El benzoato de sodio a menudo forma aglomerados y es difícil de dispersar adecuadamente.

Temperatura de fusión

Los sorbitoles requieren temperaturas de fusión más altas para brindar la mejor claridad, ya que deben disolverse completamente en la masa fundida del polímero.

Sinergias y antagonismos entre nucleantes y otros aditivos

Los depuradores de ácido pueden ser sinérgicos o antagónicos. Las sales de ácidos grasos afectan negativamente el módulo del PP nucleado con ésteres de fosfato.

Seleccione lo correctoNucleantesy clarificadores para PP

Antes de seleccionar el agente nucleante o clarificante adecuado para su aplicación de PP, determine qué mejora de propiedad le interesa más:

a. Si lo importante es una baja turbidez y una alta claridad, elija uno de los clarificadores solubles.

b.Para requisitos de claridad más bajos, elésteres de fosfatose puede utilizar

c. Si el módulo alto es de mayor importancia, entonces elija uno de los ésteres de fosfato.

d.Si el bajo costo es lo más importante, entonces elija benzoato de sodio.

e. Si lo más importante es una baja deformación y una baja sensibilidad del pigmento, elija la sal de bicicloheptano.

También es fundamental decidir cómo se incorporará el nucleante a la resina de PP. Realice siempre las pruebas pertinentes para garantizar una buena dispersión y nucleación.

Realice la DSC en la resina PP nucleada. Las mejoras en el tiempo de ciclo generalmente se correlacionan con el aumento de la temperatura de cristalización (Tc). Pruebe las propiedades de la muestra moldeada.

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